Monitorowanie degradacyjnych zmian jakościowych olejów przekładniowych w procesie eksploatacji przekładni zębatych

Transkrypt

1 Łukasz Muślewski 1, Michał Sójka 2 Monitorowanie degradacyjnych zmian jakościowych olejów przekładniowych w procesie eksploatacji przekładni zębatych Wstęp Prawidłowe działanie grup węzłów tarcia w przekładni takich jak: współpraca kół zębatych i łożysk tocznych oraz ślizgowych, decyduje o sprawności technicznej przekładni i jest uzależniona od jakości środków smarnych (olejów) oraz od ilości zanieczyszczeń, generowanych w procesie ich eksploatacji przedostających się do oleju 3. W trakcie eksploatacji w oleju zachodzą także procesy fizykochemiczne powodujące zmiany, w szczególności własności smarnych oleju oraz wartości parametru lepkości kinematycznej 4. Degradacyjne zmiany w olejach smarowych powstają na skutek współoddziaływania elementów układów tribologicznych wewnątrz przekładni, samych materiałów, z jakich zbudowana jest przekładnia oraz w wyniku przedostawania się zanieczyszczeń z otoczenia przekładni. Zmiany te mają charakter trwały i są odzwierciedleniem pojawiania się nowych własności nazywanych eksploatacyjnymi. Natomiast własności te decydują o jego przydatności w procesie użytkowania. Specyfika zanieczyszczenia obiegowych olejów przekładniowych polega na ciągłym gromadzeniu się w nich zanieczyszczeń, ponieważ układy smarowania są układami o obiegu zamkniętym 5. Intensywność zanieczyszczania oleju przekładniowego zależy od takich czynników jak: - stan techniczny i warunki eksploatacji przekładni, - rodzaj i stan układu filtracji, 1 Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy im. J.J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Bydgoszcz, ul. Prof. S. Kaliskiego 7, , l.muslewski@wp.pl 2 WST Włocławek, Łęgska 20 Włocławek, Wydział Mechaniczny w Grudziądzu, ul. Hallera 32, ; michal.wojciech.sojka@gmail.com 3 Baczewski K.: Zanieczyszczenia płynów eksploatacyjnych. 4 Hebda M., Wachal A.: Trybolgia. 5 Zboiński M.: Badania struktury jakościowej i ilościowej zanieczyszczeń w układach hydraulicznych i ich wpływu na trwałość podstawowych zespołów. 968 Logistyka 6/ rodzaj stosowanego oleju i ilość dolewek, - rodzaj stosowanych uszczelnień. Postęp w technologii produkcji olejów bazowych i pakietów dodatków uszlachetniających, umożliwił produkcję olejów przekładniowych o wysokich wskaźnikach lepkości 6. Obiegowe oleje przekładniowe o określonej lepkości kinematycznej, odznaczające się wysokim wskaźnikiem lepkości, zapewniają w niskich temperaturach lepkość pozwalającą na ich pompowanie, co zapewnia dobre własności rozruchowe układu smarowania, a w temperaturze pracy zapewniają odpowiednią trwałości filmu smarowego, co jest gwarancją właściwego smarowania węzłów tarcia w przekładni. Wraz z rozwojem wysokosprawnych przekładni zębatych olejom przekładniowym stawiane są coraz wyższe wymagania jakościowe, przy jednoczesnym zachowaniu norm ekologicznych. Wartości parametrów olejów świeżych mogą jednak znacznie odbiegać od wartości jakimi charakteryzują się oleje eksploatowane. Podstawowe własności fizykochemiczne oraz użytkowe olejów wyznacza się w laboratoriach metodami standardowymi. Obecnie istnieje cała różnorodność metod badawczych z których najnowszą jest skaningowa metoda Brookfielda, dotycząca nowego kryterium oceny pompowalności olejów, w których określa się dwa parametry: indeks żelowania i temperaturę żelowania. Identyfikacja obiektu i przedmiotu badań Obiektem badań są oleje przekładniowe stosowane w przekładniach zębatych z obiegowym systemem smarowania. Przedmiotem badań są procesy starzeniowe zachodzące w olejach silnikowych w trakcie ich eksploatacji. Na skutek oddziaływania czynników wymuszających, w trakcie pracy przekładni, następuje zmiana stężenia dodatków uszlachetniających w oleju oraz zmiana ich własności. Własności te opisywane zbiora- 6 Hoehn B.-R. i inni: Test methods for gear lubricants.

2 mi cech mierzalnych i niemierzalnych można wyznaczać w trakcie badań. Jednocześnie można zauważyć narastanie kontaminacji i ich kumulowanie się w oleju. Wówczas stan oleju w danej chwili t można opisać wektorem x, co opisano zależnością 1. ( ) ( ) ( ) ( ) x t x1 t, x2 t,... x n t = (1) gdzie: xi(t) wartość pojedynczej cechy opisującej stan oleju w chwili t. Do opisu stanu oleju przekładniowego lub innego materiału eksploatacyjnego wyznacza się składowe, których wartości uwzględniają stan oleju świeżego oraz te, które opisują zmiany starzeniowe. W czasie użytkowania przekładni produkty zużycia węzłów tarcia są wypłukiwane przez olej, gromadzą się w nim, zwiększając koncentrację w oleju. Również cząstki stałe i pary przedostające się do przekładni z otoczenia poprzez uszczelnienia labiryntowe oraz systemy przewietrzania skrzyni przekładni są dodatkowym źródłem zanieczyszczeń. Specyficzną grupę zanieczyszczeń stanowią produkty starzenia, powstające w wyniku utleniania, rozkładu i polimeryzacji węglowodorów oraz dodatków uszlachetniających zawartych w tych olejach, powodując zmiany składu chemicznego oleju. Wystarcza to, aby istotne własności eksploatacyjne oleju spowodowały przejście ze stanu zdatności w stan niezdatności. Intensywność procesów starzenia i ich przebieg jest uzależniony od jakości środka smarowego, warunków eksploatacji oraz stanu przekładni. Decydują one o stopniu i szybkości degradacji oleju doprowadzając jego stan do stanu granicznego. Odczuwalny jest brak metod wyznaczania stanu granicznego oleju, uzasadniających zwiększanie jego resursu. Główną przyczyną trudności w opracowaniu uniwersalnej metodyki prognozowania czasu pracy oleju przekładniowego jest brak jednoznacznych relacji, zachodzących między stanem oleju a trwałością przekładni zębatej 7. Obecnie decyzję o wymianie olejów podejmuje się według ścisłych zaleceń producentów przekładni, przeważnie z dużymi zapasami trwałości. Zalecenie te, w zależności od typu przekładni, producenta i stosowanego oleju są znacząco różne. W niektórych typach przekładni producenci przyjmują strategię stosowania oleju przewidzianego na czas trwałości przekładni bez możliwości jego wymiany. Dotyczy to jednak głównie przekładni ślimakowych małych i średnich mocy 8. W przypadku przekładni zębatych z wymuszonym układem smarowania w przeważającej większości stosowana jest strategia eksploatacyjna według potencjału eksploatacyjnego. Olej wymienia się po określonym czasie pracy przekładni wyrażonym w miesiącach lub w przypadku przekładni wyposażonych w systemy liczenia godzin pracy w motogodzinach. Po osiągnięciu założonej wartości jednego z tych kryteriów oleje są wymieniane niezależnie od rzeczywistego ich stanu, nawet wtedy, gdy posiadają one jeszcze znaczny potencjał użytkowy. Wykorzystanie tego potencjału, w sposób znaczący zwiększyło by efektywność działania systemu. Przekładnie zębate z wymuszonym systemem smarowania ze smarowaniem obiegowym mogą być wyposażone w systemy filtrowania oleju 9. W układach filtracji obiegowych olejów przekładniowych najczęściej stosowane są filtry z wymiennymi wkładami filtrującymi, rzadziej filtry szczelinowe i odśrodkowe. W przekładniach dużej mocy ze smarowaniem obiegowym stosuje się także doraźną filtrację bocznikową. Stosowanie filtracji w obiegowych układach smarowania znacząco obniża koncentracje cząstek stałych w oleju dotyczy to zarówno pierwiastków metalicznych jak i niemetalicznych. Przy braku możliwości stosowania filtracji oleju obniżenie kontaminacji cząstek ferromagnetycznych osiąga się poprzez stosowanie separatorów magnetycznych instalowanych w zbiornikach oleju i misach olejowych. Metodyka badań Badaniom poddano przekładnie zębate wielostopniowe typu BRW 302 i modele pochodne BRW 303 oraz BRW 305 produkcji ZAMECH Elbląg. Wszystkie z badanych przekładni wyposażone były w obiegowy systemem smarowania. Jako środek smarny stosowano mineralne oleje przekładniowe klasy lepkości ISO VG220, klasie jakości API GL-4, przewyższające wymagania norm DIN cz. 3. Przekładnie pracowały w sposób ciągły z obciążeniem bliskim obciążeniu maksymalnemu dla danego typoszeregu przekładni. Przekładnie nie posiadały systemów filtracyjnych, zastosowano separatory magnetyczne do wychwyty- 7 Lewitowicz J., Zboiński M.: Monitorowanie kontaminacji w procesie eksploatacji układów hydraulicznych statków powietrznych. 8 Hoehn B.-R. i inni: Test methods for gear lubricants. 9 Total. Praca zbiorowa.: Nadzór nad stanem maszyny i oleju. Logistyka 6/

3 wania ferromagnetycznych cząstek stałych niesionych w oleju. Badania eksploatacyjne polegały na okresowym poborze próbek olejów przekładniowych. Próbki olejów do badań w ilości 280ml pobierane były co około 168 godzin pracy. Po przekroczeniu wartości wybranych parametrów koncentracji cząstek stałych: żelaza i krzemu, częstotliwość pobierania próbek zwiększano do okresu 48 godzin. Wówczas wielkość próbki wynosiła 30ml. W próbkach tych badano zawartość istotnych pierwiastków metalicznych i zmiany ich wartości. W niniejszej pracy podjęto próbę wydłużenia resursu olejów silnikowych na podstawie oceny zmian zawartości istotnych pierwiastków metalicznych. Objętość próbki tygodniowej podyktowana była badaniem lepkości kinematycznej w 40 C na aparacie Englera pojemność zbiornika kapilary 250ml. Koncentracje cząstek stałych badano spektroskopem emisyjnym wymagana wielkość próbki 10ml. Próbki oleju pobierano bezpośrednio z otworu rewizyjnego przekładni za pomocą Olejnicy z przewodem elastycznym. Badaniom pilotażowym podlegały poniższe parametry oleju: 20 pierwiastków metodą spektrometrii emisyjnej, lepkość kinematyczna w 40 C, lepkość kinematyczna w 100 C, temperatura zapłonu w tyglu otwartym, zawartość wody, własności smarne na aparacie 4-kulowym wg PN- C (P n, P z, I h ), własności smarne na aparacie semi-timken. Próbki pobierano systematycznie i na bieżąco dokonywano wyznaczania wartości wybranych parametrów. Badania pilotażowe prowadzono zwiększając resurs oleju o 50% do 3000 godzin. Poniżej przedstawiono w sposób graficzny wybrane wyniki badań pilotażowych. Rys. 1. Przebieg zmian temperatury zapłonu oleju w przekładniach BRW303 Rys. 2. Przebieg zmian temperatury lepkości kinematycznej oleju w przekładniach BRW303 Na podstawie wyników badań pilotażowych ograniczono ilość badanych parametrów oleju. W związku z dużą ilością zmiennych dokonano analizy korelacji zachodzących pomiędzy koncentracjami badanych pierwiastków w funkcji przebiegu. Analizę wykonano w programie GRETL metodą KMNK (Klasyczna Metoda Najmniejszych Kwadratów). Odrzucono te pierwiastki których koncentracje nie zmieniały się lub wykazywały niewielką zmienność ocenioną statystycznie. Podobnie zweryfikowano i przeanalizowano adekwatność doboru własności fizykochemicznych oleju, w efekcie czego wyeliminowano następujące parametry opisujące stan oleju: zawartość wody wszystkie badane próbki oleju wykazywały zawartość wody poniżej 0,2%, lepkość kinematyczna w 100 C wykazano silną korelację z lepkością kinematyczną badaną w 40 C, (temperatura pracy oleju w przekładni wahała się w granicach C), temperatura zapłonu w tyglu otwartym nie wykazano istotnej zmienności, własności smarne na aparacie 4-kulowym: najwyższe obciążenie niezacierające, obciążenie zespawania, współczynnik zużycia pod obciążeniem badania smarności na aparacie 4-kulowym zastąpiono badaniami smarności na aparacie semi- Timken. Wartości powyższych parametrów nie zmieniały się w cyklu badań lub wykazywały niewielką zmienność. Własności smarne oleju badano wyłącznie na aparacie semi-timken z uwagi na możliwość dokonywania badań bezpośrednio w miejscu, gdzie eksploatowana jest dana przekładnia, a także ze względu na krótszy czas trwania pojedynczego badania przy dużej powtarzalności otrzymywanych wyników. Do badań olejów w dalszych seriach przyjęto 2 parametry fizykochemiczne, które uznano za istotne, oraz koncentracje 2 pierwiastków: 970 Logistyka 6/2014

4 lepkość kinematyczna w 40 C, własności smarne na aparacie semi-timken, koncentracje cząstek żelaza, koncentracje cząstek krzemu. Przyjęte do dalszych badań kontaminacje reprezentują dwie grupy pierwiastków: koncentracje cząstek żelaza - produkty zużycia węzłów trybologicznych, koncentracje cząstek krzemu - zanieczyszczenia pochodzące z otoczenia przekładni. Wyniki i analiza badań W rozpatrywanych systemach transmisji mocy za pośrednictwem przekładni typoszeregu BRW przyjęta została strategia wymiany oleju przekładniowego według potencjału eksploatacyjnego resursu. Resurs oleju ustalono na 2000 godzin pracy przekładni. Wyniki badań zmian własności fizykochemicznych oraz zmian koncentracji produktów zużywania się węzłów trybologicznych i cząstek stałych pochodzących z otoczenia przekładni, w celu lepszego zobrazowania zmian, zostały przedstawione w formie wykresów. Rys. 4. Przebieg zmian smarności oleju w przekładniach BRW302 Z powyższego rysunku wynika, że w przypadku czterech przekładni parametr smarności pozostawał na niezmiennym poziomie, natomiast smarność oleju w dwóch przekładniach uległa pogorszeniu. Spadek smarności oleju w przekładniach BRW302D oraz BRW302F wyniósł około 17%. Rys. 3. Przebieg zmian lepkości kinematycznej oleju Wnioski w przekładniach BRW302 Rysunek 3 obrazuje zmiany lepkości badanych olejów w zależności od czasu pracy przekładni. Zaobserwować można, że wyjściowa wartość lepkości w żadnym wypadku nie spełniła deklarowanych przez producenta wartości 220 mm 2 /s, co może świadczyć o niskiej jakości dodatków uszlachetniających mających wpływ na lepkość oleju. Wraz z przebiegiem czasu eksploatacji lepkość ulegała obniżeniu z wyjściowych 189 mm/s 2 do poziomu 161mm/s 2, co daje spadek o około 15%. Zaobserwowano stopniowe stabilizowanie się tego parametru po czasie pracy około 1000 godzin. Rys. 5. Przebieg koncentracji cząstek żelaza w oleju przekładniach BRW302 Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono zależność pomiędzy koncentracją pierwiastków w badanych olejach, a ich czasem pracy od wymiany. Zaobserwować można wyraźną rozbieżność zmienności tych parametrów pomiędzy poszczególnymi przekładniami wynikającą najprawdopodobniej z różnicy potencjałów eksploatacyjnych i stanu technicznego przekładni. Należy nadmienić, iż w przypadku nagłego wzrostu koncentracji któregoś z pierwiastków mamy do czynienia z wyraźnym sygnałem diagnostycznym, a nośnikiem tego sygnału jest olej przekładniowy. W badanych próbkach w przypadku dwóch przekładni oznaczonych jako BRW302D oraz BRW302F stwierdzono nagłą zmianę koncentracji żelaza i zwiększenie szybkości jej narastania, co świadczyć może o zjawisku przyspieszonego zużywania się węzłów trybologicznych na skutek występujących stanów niezdatności. Logistyka 6/

5 Rys. 6. Przebieg koncentracji cząstek krzemu w oleju przekładniach BRW302 W przypadku monitorowania zmian koncentracji krzemu zaobserwowano podwyższoną zawartość tego pierwiastka w przekładniach oznaczonych jako BRW302D oraz BRW302F. Ponadto w przypadku przekładni BRW302F pod koniec resursu ilość cząstek krzemu lawinowo wzrosła. Świadczyć to może o nieszczelności przekładni przy jednoczesnym znaczącym zanieczyszczeniu otoczenia przekładni. 972 Podsumowanie Proces monitorowania wybranych parametrów olejów przekładniowych, stosowanych w przekładniach zębatych wielostopniowych, umożliwił sformułowanie wniosków, dotyczących podniesienia poziomu bezpieczeństwa eksploatacji, trwałości i niezawodności przekładni zębatych. Zmiany wartości wybranych parametrów olejów przekładniowych, mogą być traktowane jako sygnał diagnostyczny, informujący o stanie jakościowym przekładni i o warunkach jej otoczenia. Zaobserwowano związek pomiędzy zmianami własności fizykochemicznych badanych olejów oraz narastaniem w nich procesu kontaminacji. Stwierdzono, iż monitorowanie koncentracji produktów zużywania się elementów przekładni: kół zębatych i łożysk, w olejach dają możliwość oceny zachodzących procesów niszczących. Zauważono, że produkty zużycia węzłów tribologicznych oraz zanieczyszczenia pochodzące z otoczenia przekładni, gromadzą się w oleju smarowym i są one nośnikiem informacji diagnostycznej. Systematyczne sprawdzanie wartości najważniejszych parametrów świadczących o ich zdatności, może umożliwić wyznaczenie stanów granicznych, przy których olej przestaje spełniać między innymi funkcję smarowania w przekładni zębatej. Na podstawie obserwowanych zmian własności fizykochemicznych i Logistyka 6/2014 szybkości narastania kontaminacji, można podejmować racjonalne decyzje, dotyczące przedłużania okresów między wymianami oleju przekładniowego, co w sposób znaczący może przyczyniać się do obniżenia kosztów eksploatacji obiektów technicznych jakimi są przekładnie zębate w rozpatrywanym systemie transmisji mocy. W badanej grupie przekładni zaobserwowano zróżnicowanie w szybkości narastania kontaminacji. W olejach dwóch przekładni dostrzeżono dodatnio skorelowany wzrost zawartości cząstek krzemu i cząstek żelaza. Związki krzemu niesione w oleju mogą powodować zużycie ścierne generując narastanie cząstek metalicznych w oleju. Zwiększona ilość cząstek stałych stanowi niebezpieczeństwo przedwczesnego zużycia elementów przekładni. W przypadku eksploatowania przekładni w otoczeniu o dużym zanieczyszczeniu (zapylenie), należy dążyć do stosowania skutecznych uszczelnień przekładni. Niezależnie od warunków zewnętrznych zaleca się stosowanie filtracji w obiegowych systemach smarowania przekładni zębatych. Wychwytywanie cząstek ferromagnetycznych niesionych w oleju za pomocą separatorów magnetycznych jest mało skuteczne przy szybkim narastaniu ich ilości, co ma miejsce w przypadku przedostania się do przekładni twardych zanieczyszczeń niemetalicznych (karborund, tlenek krzemu). Wyniki badań przedstawione w opracowaniu mogą stanowić istotny czynnik w podejmowaniu decyzji, dotyczących procesów zapewnienia zdatności obiektów technicznych, jakimi są przekładnie zębate. Streszczenie Niniejsze opracowanie dotyczy oceny i analizy wyników jakościowych badań eksploatacyjnych olejów przekładniowych a w szczególności wyników badań szybkości narastania kontaminacji wybranych pierwiastków metalicznych w badanych olejach. Na podstawie wyników badań eksploatacyjnych wyznaczono zawartości pierwiastków metalicznych w badanych olejach przekładniowych w zależności od czasu pracy przekładni. Na podstawie analizy literatury przedmiotu i badań własnych stwierdzono, że dla systemów smarowania przekładni, brakuje wygodnych i wiarygodnych metod oceny stanów granicznych olejów przekładniowych. W niniejszej pracy podjęto próbę monitorowania stanu olejów przekładniowych na podstawie oceny zmian zawartości istotnych pierwiastków metalicznych oraz zmian wartości parametrów fizykochemicznych.

6 Abstract This study seeks to investigate and analyze the results of performance tests and quality of performance gear oils studies slew rate of contamination of selected metallic elements in the studied oils. Based on the results of field tests determined the content of metallic elements in the test gear oils depending on the time of the gear unit. Based on the analysis of the literature and own studies found that for gear lubrication systems, lack of convenient and reliable methods of assessing the limit states gear oils. In this paper an attempt to monitor the gear oils on the basis of changes in the content of essential metallic elements and changes in the physico-chemical parameters. Prace naukowe ITWL 10/2000, Wyd. ITWL, Warszawa Borowczyk H., Zboiński M.: Analiza wybranych modeli kontaminacji cieczy roboczej układu hydraulicznego. Prace Naukowe ITWL. Zeszyt nr 11, Warszawa Zboiński M.: Badania struktury jakościowej i ilościowej zanieczyszczeń w układach hydraulicznych i ich wpływu na trwałość podstawowych zespołów. Wyd. ITWL, Warszawa Literatura 1. Baczewski K.: Zanieczyszczenia płynów eksploatacyjnych. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, nr 33, Białka Z., Kędzierski K.: Pobieranie próbek produktów naftowych. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, nr 53, Wyd. Eksplonaft, Warszawa Grądkowski M., Szczerek M.: Diagnostyka stanów oleju eksploatowanego. Współczesne problemy klasyfikacji, certyfikacji i eksploatacji olejów silnikowych, Materiały Konf. MTP MOTO- RYZACJA 98, Poznań Hebda M., Wachal A.: Trybolgia. WNT, Warszawa Laber S., Laber A., Cedro K.: Badania w zakresie nowej technologii wymiany oleju w silnikach spalinowych. Problemy Maszyn Roboczych. Zeszyt 15. ITE, Radom Muślewski Ł.: Podstawy efektywności działania systemów transportowych. ITeE, Radom Bydgoszcz Szczerek M., Tuszyński W.: Badania tribologiczne. Zacieranie. Wyd. ITeE, Radom Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalak M.: Badanie wpływu samochodowych i przemysłowych olejów przekładniowych na mikropitting kół zębatych. ITeE, Radom Hoehn B.-R. I inni: Test methods for gear lubricants. Goriva i Maziva Total. Praca zbiorowa.: Nadzór nad stanem maszyny i oleju. Wyd. Total Polska Lewitowicz J., Zboiński M.: Monitorowanie kontaminacji w procesie eksploatacji układów hydraulicznych statków powietrznych. XIV Konferencja Naukowa Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych, Zakopane Lindstedt P.: Słabe interakcje w procesie diagnozowania wycieków z układów hydraulicznych. Logistyka 6/